液压与气动技术 课件 项目六数控加工中心气动换刀系统分析与搭建

项目六

数控加工中心气动换刀系统分析与搭建液压与气动技术项目构思项目构思数控加工中心在换刀过程中，需要实现主轴定位、主轴松刀、拔刀、从主轴锥孔向外吹气、换刀、插刀、紧刀的动作，这些动作都是由气动系统驱动的，每一个动作都由专门的气动子系统来完成，确保每一个动作的可靠性，才能安全快速的换刀。因此，无论是数控加工中心的操作者，还是设备的维护维修人员，都要熟悉数控加工中心气动换刀系统的工作过程，能读懂气动系统原理图，掌握每个元件的工作特性，能正确维护保养气动系统。学习该项目时，首先要认真阅读项目导学表中的内容，明确本项目的学习目标，知悉项目学习成果和项目实施的环节。项目构思知识准备

数控加工中心气动换刀系统气缸6.1单作用气缸的结构及图形符号１-进、排气口；２-活塞；３-密封圈；４-呼吸口；５-弹簧６-活塞杆单作用气缸只在活塞一侧通入压缩空气，推动活塞伸出，活塞的缩回则是借助于其他外力，例如重力、弹簧力等。只能在一个方向上做功。6.1.1单作用气缸

数控加工中心气动换刀系统气缸6.16.1.1单作用气缸单作用气缸特点01单边进气结构简单耗气量小02缸内有弹簧气缸长度增加活塞杆有效行程短行程受弹簧长度限制03克服弹簧力输出力减小输出力和速度随弹簧的变形而变化

单作用气缸多用于短行程及对活塞杆推力、运动速度要求不高的场合，例如定位和夹紧装置等。

数控加工中心气动换刀系统气缸6.16.1.2气液阻尼缸气液阻尼缸是由气缸与液压缸构成的组合缸，由气缸驱动液压缸运动，利用液压缸自调节作用获得平稳的运动输出。这种缸常用于设备的进给驱动装置，克服了单独使用气缸在负载变化较大时易产生的“爬行”和“自移”现象。图中所示为串联式气液阻尼缸,它的液压缸2和气缸1共用一个缸体，两活塞固连在同一活塞杆上。两缸间用隔板隔开以防空气与油液互窜。

数控加工中心气动换刀系统气动控制阀6.26.2.1单向型方向控制阀单向型方向控制阀为只允许气流沿一个方向流动的控制阀。常用类型有单向阀、梭阀、双压阀和快速排气阀等。1.单向阀单向阀是指气流只能向一个方向流动,而不能反方向流动的阀，又可称为逆止阀或止回阀主要由阀心、阀体和弹簧三部分组成。1-弹簧；2-阀心；3-阀座；4-阀体

数控加工中心气动换刀系统气动控制阀6.26.2.1单向型方向控制阀2.梭阀梭阀相当于是两个单向阀组合的阀，其作用相当于“或”门逻辑功能。Pl进气状态；P2进气状态；图形符号

数控加工中心气动换刀系统气动控制阀6.26.2.1单向型方向控制阀3.双压阀双压阀也是由两个单向阀组合而成，

其作用相当于

“与”门逻辑功能，

故又称与门梭阀双压阀常应用在安全互锁回路中

数控加工中心气动换刀系统气动控制阀6.26.2.1单向型方向控制阀4.快速排气阀快速排气阀可使气缸活塞运动速度加快，特别是在单作用气缸情况下，

可以避免其回程时间过长。

数控加工中心气动换刀系统气动控制阀6.26.2.2流量控制阀1.节流阀流量控制阀的作用是控制气体流量从而控制执行元件的运动速度，其工作原理是通过改变阀的通流面积来实现流量控制的，包括节流阀、单向节流阀和排气消声节流阀等。常用节流口形式a)针阀式节流口b)三角槽形节流口c)圆柱斜切式

数控加工中心气动换刀系统气动控制阀6.26.2.2流量控制阀2.单向节流阀单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀。当气流沿着一个方向流动时，经过节流阀节流；反方向流动时，单向阀打开。

数控加工中心气动换刀系统气动控制阀6.26.2.2流量控制阀3.排气消声节流阀排气节流阀的工作原理与节流阀相同，也是靠调节流通面积来调节气体流量。区别在于，排气节流阀是装在执行元件的排气口处，它不仅能调节执行元件的运动速度，还常带有消声结构，所以也能起到降低排气噪声的作用。

排气节流阀工作原理及图形符号1-节流口；2-消声套

数控加工中心气动换刀系统气动基本回路6.36.3.1单、双作用气缸方向控制回路及特点1.单作用气缸控制回路及特点单作用气缸靠气压使活塞杆朝单方向伸出，反向依靠弹簧力或自重等其他外力返回。通常可以采用二位三通换向阀或三位三通换向阀来实现单作用气缸的方向控制。当气缸直径很大时,手控二位三通换向阀的流通能力过小，将会影响气缸的运动速度。因此,直接控制气缸换向的主控阀需采用通径较大的气控阀。采用二位三通换向阀的换向回路

数控加工中心气动换刀系统气动基本回路6.36.3.1单、双作用气缸方向控制回路及特点1.单作用气缸控制回路及特点采用二位三通电控换向阀控制单作用气缸的换向回路

采用三位三通换向阀的换向回路，能实现活塞杆在行程中的任意位置停留，但因空气的可压缩性，其定位精度较低。

数控加工中心气动换刀系统气动基本回路6.36.3.1单、双作用气缸方向控制回路及特点2.双作用气缸控制回路及特点双作用气缸的特点是活塞杆的伸出和缩回运动都是靠气压推动的。因此要采用四通阀或五通阀来进行控制。

数控加工中心气动换刀系统气动基本回路6.36.3.2速度控制回路1.单作用气缸的速度控制回路由于通常气动系统的工作压力较小，速度稳定性不高，并且使用的功率较小，因此气动系统的速度调节一般采用节流调速的方法。进气节流调速回路排气节流调速回路

数控加工中心气动换刀系统气动基本回路6.36.3.2速度控制回路1.单作用气缸的速度控制回路双向调速回路

数控加工中心气动换刀系统气动基本回路6.36.3.2速度控制回路2.双作用气缸的速度控制回路单向调速回路当负载较大、节流阀阀口开度较小时，由于进入Ａ腔的流量较小，压力上升缓慢，当气压能够克服负载时，活塞向右移动，此时Ａ腔容积增大，使压缩空气膨胀，压力减小，使作用在活塞上的力小于负载，从而使活塞停止，待持续进气压力再次增大时，活塞才再次向右移动。因负载及供气的变化而使活塞忽走忽停的现象，称为气缸的“爬行”

单向调速回路进气节流调速回路一般用于垂直安装的气缸水平安装的气缸一般采用排气节流调速方式

数控加工中心气动换刀系统气动基本回路6.36.3.2速度控制回路2.双作用气缸的速度控制回路双向调速回路排气腔内可以建立与负载相适应的背压，在负载保持不变或微小变动的条件下，运动比较平稳，调节节流阀阀口开度即可调节气缸往复运动的速度。采用排气节流阀的调速回路，在换向阀的排气口直接安装两个排气节流阀来实现调速。项目分析与仿真数控加工中心气动换刀系统原理图分析6.46.4.1气动换刀系统的组成

及工作过程1.气动换刀系统的组成数控加工中心气动换刀系统原理图分析6.46.4.1气动换刀系统的组成

及工作过程2.气动换刀系统的工作过程当数控系统发出换刀指令时，主轴停止旋转，同时4YA通电，压缩空气从气源出来经气动三联件1、换向阀4、单向节流阀5进入主轴定位缸A的右腔，缸A的活塞左移，使主轴自动定位。2.气动换刀系统的工作过程数控加工中心气动换刀系统原理图分析6.46.4.1气动换刀系统的组成

及工作过程2.气动换刀系统的工作过程定位后压下无触点开关，使6YA通电，压缩空气经换向阀6、快速排气阀8进入气液增压器8的上腔，增压器的高压油使活塞伸出，实现主轴松刀。2.气动换刀系统的工作过程数控加工中心气动换刀系统原理图分析6.46.4.1气动换刀系统的组成

及工作过程2.气动换刀系统的工作过程同时使8YA通电，压缩空气经换向阀9、单向节流阀11进入缸C的上腔，缸C下腔排气，活塞下移实现拔刀。由回转刀库交换刀具，同时1YA通电，压缩空气经换向阀2、单向节流阀3向主轴锥孔吹气。2.气动换刀系统的工作过程数控加工中心气动换刀系统原理图分析6.46.4.1气动换刀系统的组成

及工作过程2.气动换刀系统的工作过程稍后1YA断电、2YA通电，停止吹气，8YA断电、7YA通电，压缩空气经换向阀9、单向节流阀10进入缸C的下腔，使活塞退回实现插刀，同时6YA断电、5YA通电，增压器活塞退回夹紧刀具。2.气动换刀系统的工作过程数控加工中心气动换刀系统原理图分析6.46.4.1气动换刀系统的组成

及工作过程数控加工中心气动换刀系统原理图分析6.46.4.2气动换刀系统的控制回路1.气动换刀系统的方向控制回路吹气子系统无执行元件，只需实现吹气的通断功能，因此采用二位二通电磁阀换向；主轴定位子系统的执行元件是单作用气缸，由二位三通双电控电磁阀控制换向；刀具夹紧子系统的执行元件是双作用气液增压器，相当于双作用气缸，由二位五通双电控电磁阀控制换向；插刀、拔刀子系统的执行元件是双作用气缸，有中间停止的可能，因此采用三位五通双电控电磁阀控制换向。2.气动换刀系统的速度控制回路吹气和定位子系统的执行元件都是单作用气缸，因此采用进气节流方式，进气时，单向节流阀中单向阀关闭，气体通过节流阀进入，从而控制吹气的速度和定位缸伸出的速度。实现插拔刀的气缸是一个双作用气缸，插刀和拔刀的速度都需要控制，因此用2个单向节流阀实现，为了使活塞的运动速度更稳定，此处采用的是排气节流方式连接，拔刀时，单向节流阀11的单向阀开启，气体经过单向阀向气缸上腔快速充气，单向节流阀10的单向阀关闭，下腔的气体只能经节流阀排气，调节节流阀10的开度，便可改变气缸伸出时的运动速度。反之，调节节流阀11的开度则可改变气缸缩回时的运动速度。项目实施与运行气动换刀系统的搭建6.66.6.1元件的选择气动换刀系统的搭建6.66.6.2搭建与运行注意事项接管时要充分注意密封性，防止漏气，尤其注意接头处。安装软管需有一定的弯曲半径，不允许有拧扭现象，且应远离热源或安装隔热板。阀在安装前应查看铭牌，注意型号、规格是否相符，应注意阀的推荐安装位置和标明的安装方向。在确认人身和设备安全后，接通压缩机电源。任务完成后，将各手柄放松，以防弹簧永久变形，从而影响元件的调节性能。调试时需认真观察设备的动作情况，实现要求的调速功能和循环动作。若出现问题，应立即切断电源、气源，避免扩大故障范围，待调整、检修或解决后重新调试，直至设备完全实现功能。设备调试完毕后，关闭电源，拆卸元件并放好，填写操作记录。随时注意压缩空气的清洁度，对空气过滤器的滤芯要定期清洗。知识拓展特殊气动执行元件6.76.7.1特殊气缸1.气动手爪气动手爪也叫做气爪，是一种变型气缸，它可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。其特点是所有结构都是双作用的，能实现双向抓取，抓取力矩恒定，气缸两侧可安装非接触式检测开关，有多种安装、连接方式。在自动化系统中，气动手爪常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体。。平行气爪（滑动导轨型）摆动气爪（支点开闭型）旋转、三点气爪（回转驱动型）图形符号特殊气动执行元件6.76.7.1特殊气缸2.无杆气缸无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接实现往复直线运动。这种气缸的最大优点是节省了安装空间，特别适用于小缸径、长行程的场合。广泛用于数控机床、注塑机等的开门装置上及多功能坐标机器手的位移和自动输送线上工件的传送等。机械接触式无杆气缸气缸两端设置有缓冲装置，不等壁厚的铝制缸筒经拉制而成，缸筒体上沿轴向开有一条槽，活塞带动与负载相连的滑块一起移动，且借助缸体上的一个管状沟槽防止转动。为防泄漏和防尘，在内外两侧分别装有密封带。特殊气动执行元件6.76.7.1特殊气缸磁性耦合式无杆气缸其活塞上安装了一组高磁性的稀土永久磁环4，磁力线穿过薄壁缸筒（非导磁材料）与套在缸筒外面的另一组外磁环2作用，由于两组磁环极性相反，因此它们之间有很强有吸力。当活塞在气压作用下移动时，通过磁力线带动缸筒外面的磁环与负载一起移动。在气缸行程两端设有空气缓冲装置。特殊气动执行元件6.76.7.1特殊气缸3.薄膜气缸薄膜式气缸是用夹织物橡胶或聚氨酯材料制成的膜片作为受压元件。膜片有平膜片和盘形模片两种。它的功能类似于弹簧复位的活塞式气缸，工作时，膜片在压缩空气作用下推动活塞杆运动。它的优点是：结构简单、紧凑、体积小、质量轻、密封性好、不易漏气、加工简单、成本低、无磨损件、维修方便等，适用于行程短的场合。缺点是行程短，一般不超过50mm。平膜片的行程更短，约为其直径的l／10。1-缸体；2-膜片；3-膜盘；4-活塞特殊气动执行元件6.76.7.2真空元件

真空吸附的应用领域

真空吸附技术在工业自动化生产中的应用越来越广泛，在电子电器生产、汽车制造、产品包装、板材输送等作业中，广泛地应用了真空吸附技术，通过真空来吸附物体，进而移动物体，为产品的加工、组装、包装等服务。真空吸附的构成真空吸附系统包括：真空发生装置和真空吸盘两类元件特殊气动执行元件6.76.7.2真空元件真空发生装置是产生真空的元件，有真空泵和真空发生器两种类型。

真空泵的结构形式和工作原理与空气压缩机相类似，需接上电源，在原动机的带动下产生负压。

真空发生器的动力源是压缩空气。工作原理：利用喷管高速喷射压缩空气，在喷管出口形成射流，从而产生卷吸流动，在卷吸流的作用下，使喷管出口周围的空气不断被抽吸，使吸附腔内的压力降至大气压以下，形成了一定的真空度。真空泵真空发生器特殊气动执行元件6.76.7.2真空元件典型的真空发生器结构原理如图所示：它是由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管1、负压腔2和接收管3等组成，有供气口、排气口和真空口。

当供气口的供气压力高于一定值后，喷管射出超声速射流。由于气体的粘性，高速射流卷吸走负压腔内的气体，使该腔形成很低的真空度，气体的流动速度越高，周围的气体压力就越低，就具有越强的抽吸能力。l-拉瓦尔喷管；2-负压腔；3-接收管；4-真空腔1.真空发生器特殊气动执行元件6.76.7.2真空元件真空吸盘是利用吸盘内形成负压（真空）而把工件吸附住的元件。它适用于抓取薄片状的工件，如塑料板、硅钢片、纸张及易碎的玻璃器皿等，要求工件表面平整光滑、无孔无油。通常吸盘是由橡胶材料与金属骨架压制而成的，其中橡胶材料有丁腈橡胶、聚胺酯和硅橡胶等，其中硅橡胶吸盘适用于食品工业。选择真空吸盘时，真空吸盘的吸力是一个重要的性能指标。2.真空吸盘真空吸盘的外径称为公称直径，其吸持工件被抽空的直径称为有效直径。吸盘的理论吸力F为吸盘的实际吸力应考虑一个安全系数n，即实际吸力Fr为：

式中：De

——吸盘有效直径；

Δpv

——真空度。特殊气动执行元件6.76.7.2真空元件

（a）圆形平吸盘；

（b）波纹形吸盘；

（c）图形符号常用吸盘的结构如图：图（a）所示为VAS圆形平吸盘，图（b）为VASB波纹形吸盘，这种波纹形吸盘的适应性更强，允许工件表面有轻微的不平、弯曲和倾斜，同时波纹形吸盘吸持工件在移动过程中有较好的缓冲性能。2.真空吸盘